運動の学習に伴う脳内誤差信号の情報表現の変容とそれを基盤とした学習指導方法の開発
| Project/Area Number |
23K21610
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| Project/Area Number (Other) |
21H03339 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 59030:Physical education, and physical and health education-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
柳原 大 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90252725)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柿澤 昌 地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター(東京都健康長寿医療センター研究所), 東京都健康長寿医療センター研究所, 研究部長 (40291059)
舩戸 徹郎 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (40512869)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
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| Keywords | 歩行 / 小脳 / プルキンエ細胞 / 誤差情報 / シナプス可塑性 / 適応 / 肢間協調 / 脊髄小脳変性症 / スプリットベルトトレッドミル / 運動学習 / 下オリーブ核 / マウス / ラット / 登上線維 |
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| Outline of Research at the Start |
運動の適応・学習には誤差信号が重要な役割を果たしており、小脳においては下オリーブ核‐登上線維系がプルキンエ細胞に誤差信号を伝えている。本研究では、左右分離型ベルトトレッドミルにおける運動の適応・学習において、登上線維系による信号の時空間的な分解能など情報表現の変容について、運動学習の際のプルキンエ細胞のカルシウムイメージング法による解析を行う。情報理論的観点から、被説明変数として登上線維系がプルキンエ細胞に伝送する誤差信号の活動パターンと、運動学的データにおける潜在的な説明変数を抽出し、被説明変数との関係を詳細に調べる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、左右分離型ベルトトレッドミルにおける歩行運動の適応において、小脳皮質プルキンエ細胞への下オリーブ核－登上線維系による誤差信号の時空間的な情報表現について、統計的機械学習技術を適用し、運動学的データにおける潜在的な説明変数を抽出し、被説明変数としての登上線維系がプルキンエ細胞に伝送する信号の活動パターンとの関係性について定量的に明らかにすることを目標としている。
新たに開発したマウス用の左右分離型ベルトトレッドミルを用いて、マウスの4足歩行時に左右のベルト速度を同一にしたtied-belt条件と左右で異なるベルト速度のsplit-belt条件での四肢の歩容解析を深層学習技術を適用して行った。その結果、マウスの4足歩行時において、tied-belt条件からsplit-belt条件へ移行した際の左右における肢間協調は前肢と後肢とでは質的に大きく異なり、特に、左右の前肢間における時間的協調について適応・学習の動態が明らかにされた。
ラット用左右分離型ベルトトレッドミルを用いて、ラットの後肢2足歩行時に、左右のベルト速度を同一にしたtied-belt条件から左右で異なるベルト速度のsplit-belt条件へ移行した際の運動学的特徴について3次元モーションキャプチャシステムを用いて解析した。それらの結果として、ヒト及びネコなどを用いた先行研究で報告されているsplit-belt条件での即時的な適応がラットの後肢2足歩行においても観察された。後肢の関節仰角について特異値分解による運動学シナジー解析の結果、脚軸の回転運動に対応する第一時間協調においては、split-belt条件におけるベルト速度の速い側と遅い側とでそれらのピークタイミングを変化させ、脚軸の伸縮運動に対応する第二時間協調や空間協調については、ベルト速度の速い側の肢に特徴的な変化が観察された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
マウスにおける左右分離型ベルトトレッドミルでの歩行の適応について、deep learning toolを用いた座標検出法を適用し、四肢の歩容解析については、ほぼ自動化できるところまでシステム構築することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
小脳プルキンエ特異的mTOR(mammalian target of rapamycin)活性化マウスや脊髄小脳変性症６型モデルマウスを対象に同様な歩行課題を課して、適応学習の機能的障害について運動学的に解析する。また、左右分離型ベルトトレッドミル上での歩行における適応・学習には小脳皮質における長期抑圧が関与していることが以前の我々の研究により推測されているが、長期抑圧がこの適応・学習に必要十分であるかどうかについての問いに結論は得られていない。小脳長期抑圧の発現に際して、その最終過程となるプルキンエ細胞におけるグルタミン酸受容体のエンドサイトーシスを光遺伝学的に阻害することができる遺伝子改変マウスが作製されている(Kakegawa et al., 2018)。そこで、この遺伝子可変マウスを用いて、歩行における適応・学習における長期抑圧の関与について光遺伝学的な小脳領域特異的阻害実験を行う。さらに、マウスにおける左右分離型ベルトトレッドミル上での歩行における適応・学習時の小脳プルキンエ細胞の発火活動の動態について解析を進める。
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Report
(1 results)
Research Products
(13 results)
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[Presentation] ネコ後肢の神経筋骨格モデルを用いた感覚フィードバックによる歩行適応機序の解析2022
Author(s)
金 勇紀, 青井 伸也, 藤木 聡一朗, Danner, S. M., Ausborn, J., Markin, S. N., Rybak, I. A, 柳原 大, 泉田 啓，土屋 和雄
Organizer
計測自動制御学会関西支部・システム制御情報学会シンポジウム
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[Presentation] SCA31 transgenic mice show pathogenic features similar to human patients2021
Author(s)
Higashi, M., Okita, M., Sato, N., Asaka, M., Aoki, H., Ishii, T., Ishiguro, T., Yanagihara, D., Yokota, T., Ishikawa, K.
Organizer
17th Asian Oceanian Congress of Neurology
Related Report
Int'l Joint Research
